不同入口形式的固液分離旋流器壁面磨損研究

袁惠新，呂　浪，殷偉偉，未莉莉

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016）

不同入口形式的固液分離旋流器壁面磨損研究

袁惠新，呂浪，殷偉偉，未莉莉

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016）

基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent中的顆粒隨機(jī)軌道模型（DPM），對(duì)兩種入口形式的固液分離旋流器的壁面磨損進(jìn)行數(shù)值模擬的比較，結(jié)果表明：?jiǎn)稳肟谑焦桃悍蛛x旋流器頂板的最大磨損位于方位角140°～210°，環(huán)形空間壁面最大磨損位于方位角120°和190°，底流口附近壁面?最大磨損在周向方向180°的底流口上方1～2mm位置；雙入口式旋流器的壁面磨損呈對(duì)稱分布，最大磨損在底流口位置，頂板壁面最大磨損在兩個(gè)入口區(qū)域，頂板外層最大磨損位于方位角80°～110°和260°～290°，環(huán)形空間壁面最大磨損位于方位角120°和300°；相同條件下，雙入口式旋流器頂板和環(huán)形空間的壁面磨損小于單入口式旋流器頂板和環(huán)形空間的壁面磨損；而對(duì)于底流口附近的壁面磨損，雙入口式固液分離旋流器底流口附近的壁面磨損略大。

旋流器；數(shù)值模擬；分離；入口；磨損

在工業(yè)生產(chǎn)中，固液分離旋流器是將有密度差的固液兩相混合物在離心力的作用下進(jìn)行分離［1-2］，而其中重分散相固體顆粒在分離過(guò)程中會(huì)對(duì)旋流器壁面造成磨損，影響了固液分離旋流器的發(fā)展。目前研究顆粒對(duì)壁面磨損的文獻(xiàn)很多，如金有海、趙新學(xué)等［3-5］研究了固體顆粒對(duì)旋風(fēng)分離器壁面磨損的影響，李昳、朱祖超等［6］分析了離心泵內(nèi)部固液兩相流動(dòng)對(duì)磨損規(guī)律的影響，林哲、阮曉東等［7］基于數(shù)值模擬方法對(duì)閘閥內(nèi)部顆粒碰撞磨損以及磨損改進(jìn)設(shè)計(jì)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，楊建勝、羅坤等［8］探討了不同粒度的煤灰顆粒對(duì)管束和槽道壁面磨損的影響，但關(guān)于固液分離旋流器壁面磨損的研究報(bào)道很少。本文采用Fluent中的DPM模型對(duì)兩種入口形式的固液分離旋流器的壁面磨損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以及與數(shù)值模擬的比較。

1　計(jì)算模型

1.1磨損計(jì)算方程

磨損速率的定義是單位時(shí)間內(nèi)，壁面每一個(gè)計(jì)算單元中顆粒對(duì)壁面材料磨損的質(zhì)量，公式定義為式（1）［9-13］。

式中，Np為顆粒數(shù)；pm˙為顆粒的質(zhì)量流率；C（dp）為顆粒直徑的函數(shù)；f（α）為侵入角的函數(shù)；α為顆粒對(duì)壁面的沖擊角；b（v）為相對(duì)速度的函數(shù)；v為顆粒相對(duì)于壁面的速度；Aface為顆粒在壁面上的投影面積。若需計(jì)算總的材料質(zhì)量損失，在整個(gè)壁面上對(duì)Rerosion進(jìn)行積分；壁面厚度損失率用Rerosion與材料密度的商求得，壁面厚度損失率可直接計(jì)算出旋流器的使用壽命。

1.2物理模型及網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)和計(jì)算中采用的物理模型如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。利用Gambit軟件創(chuàng)建模型并劃分網(wǎng)格，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，首先對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)（6.8萬(wàn)、10萬(wàn)、20萬(wàn)、30萬(wàn)、100萬(wàn)）的單入口固液分離旋流器壓降、分流比以及壁面磨損率進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)旋流器網(wǎng)格進(jìn)行了整體的加密，計(jì)算所得結(jié)果的變化誤差值在2%范圍內(nèi)波動(dòng)。結(jié)果表明，不同網(wǎng)格數(shù)目下，旋流器的壓降、分流比和壁面磨損率的變化很小，可以忽略，滿足無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證。本論文研究所采用的網(wǎng)格數(shù)為6.8萬(wàn)，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2所示。

圖1　固液旋流器結(jié)構(gòu)圖

表1　固液旋流器結(jié)構(gòu)尺寸

圖2　物理模型的網(wǎng)格劃分

.3 邊界條件的設(shè)置

采用Fluent程序中的壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器，控制方程中的壓力-速度耦合項(xiàng)應(yīng)用協(xié)調(diào)一致的implec算法和Quick差分格式。進(jìn)料口設(shè)置為速度入口；底流口和溢流口設(shè)置為Outflow；固液旋流器壁面的位置不同，選取的壁面的碰撞恢復(fù)系數(shù)也不同。顆粒相入口的射流源設(shè)為面源，速度與液相速度相同，顆粒材料與試驗(yàn)中相同，選取密度700kg/m3的鋁粉顆粒，粒徑滿足Rossin-Rammler分布，中位粒徑13.5μm，分布指數(shù)為2.82；溢流口設(shè)為完全逃逸，底流口設(shè)為捕捉。

.4 模擬可靠性驗(yàn)證

為評(píng)估數(shù)值模擬是否可靠，通過(guò)單入口固液分離旋流器的壓力降、顆粒質(zhì)量流率的試驗(yàn)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證。圖3、圖4為試驗(yàn)中所用旋流器平臺(tái)及單入口式固液分離旋流器，圖5中的壓力降表示入口和底流口的靜壓損失，隨著處理量的增大，旋流器的底流壓降也逐漸增大。底流口顆粒質(zhì)量流率可直接反映底流口流出顆粒的多少。圖6可以看出，固液分離旋流器底流口顆粒的質(zhì)量流率隨著處理量的增大，總體呈上升趨勢(shì)；在控制底流分率一定的情況下，重分散相顆粒在分離過(guò)程中，底流口質(zhì)量流率越大，說(shuō)明底流口流出的固體顆粒也越多，其分離效率越高。同時(shí)固體顆粒增多，使得顆粒對(duì)旋流器壁面造成沖蝕磨損的機(jī)率大大增加，旋流器壁面磨損也會(huì)更加嚴(yán)重。圖5、圖6中的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)值模擬的可靠性。

圖3　試驗(yàn)中旋流器平臺(tái)

圖4　試驗(yàn)中固液分離旋流器

圖5　處理量與壓力降的關(guān)系

圖6　處理量對(duì)底流口顆粒質(zhì)量流率的影響

2　計(jì)算結(jié)果分析

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，兩種固液分離旋流器流體和顆粒入口速度為5.6m/s，底流分率、顆粒和流體的物性參數(shù)、入口面積和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都保持一致。

2.1固液分離旋流器頂板的壁面磨損

在固液分離旋流器的入口區(qū)域，重分散相顆粒受流體的影響較大，特別是粒徑較小的顆粒伴隨著流體一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在環(huán)形空間內(nèi)圈的外側(cè)區(qū)域存在著向上的軸向速度，帶動(dòng)一些較小的顆粒產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而使得顆粒在這一時(shí)刻受到一個(gè)方向向上的力，當(dāng)此力大于重力時(shí)，顆粒在軸向方向上會(huì)向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)此力等于重力時(shí)，顆粒在軸向方向上不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致一些小粒徑的顆粒在入口環(huán)形區(qū)域漂浮或貼著旋流器頂板運(yùn)動(dòng)，形成了灰頂環(huán)，對(duì)固液分離旋流器的頂板造成壁面磨損。從圖7可以看出，兩種固液分離旋流器頂板的壁面磨損在徑向方向的分布較為均勻，壁面磨損總體上隨著徑向位置的增大而增大，最大磨損都出現(xiàn)在頂板的外層。但頂板的磨損在周向方向上的分布并不均勻，單入口式旋流器的壁面磨損主要在方位角90°～280°范圍之間，磨損峰值處于方位角140°～210°左右，最大磨損峰值為9.6×10-7kg/（m2·s）。在磨損峰值之前，頂板的磨損隨著方位角的增大而增大；在磨損峰值以后，其磨損隨著方位角的增大而減??；雙入口式旋流器頂板的磨損呈對(duì)稱分布，在兩個(gè)入口區(qū)域磨損最為嚴(yán)重，而頂板外層的磨損峰值處于方位角80°～110°和260°～290°的位置，雙入口式固液分離旋流器頂板的壁面磨損峰值遠(yuǎn)小于單入口式旋流器頂板的壁面磨損峰值，磨損峰值只有3.0×10-7kg/（m2·s）。

圖7　單入口、雙入口固液分離旋流器頂板壁面磨損云圖

圖8　單入口、雙入口固液分離旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損云圖

2.2固液分離旋流器入口環(huán)形空間的壁面磨損

在固液分離旋流器入口處環(huán)形空間的液固兩相流會(huì)有一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，這一過(guò)程導(dǎo)致其壁面發(fā)生磨損，液相的流速在入口處較大，重分散相顆粒受到離心力和慣性作用后，脫離流體運(yùn)動(dòng)的軌跡，以一定的速度撞擊旋流器環(huán)形空間的內(nèi)壁面；同時(shí)環(huán)形空間液固兩相流速度較大使得流場(chǎng)較為紊亂，重分散相顆粒并不能沉積在內(nèi)壁面上，與內(nèi)壁的作用以瞬間沖擊為主，因此在固液分離旋流器入口處環(huán)形空間內(nèi)，顆粒與內(nèi)壁的磨損主要是沖擊磨損。從圖8可以看出，單入口和雙入口固液分離旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損分布以局部磨損為主，單入口固液分離旋流器環(huán)形空間的壁面磨損嚴(yán)重部位在方位角120°和190°左右的位置；雙入口固液分離旋流器環(huán)形空間壁面的磨損呈軸對(duì)稱分布，最大磨損部位在方位角120°和300°左右的位置。從圖9可知，在其他參數(shù)一定的情況下，單入口固液分離旋流器環(huán)形空間的壁面磨損遠(yuǎn)大于雙入口固液分離旋流器環(huán)形空間的壁面磨損。單入口式旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損率的峰值為1.2×10-6kg/（m2·s）；雙入口式旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損率的峰值只有6.6×10-7kg/（m2·s）。這是因?yàn)閱稳肟诠桃悍蛛x旋流器在入口到環(huán)形空間的階段，流體運(yùn)動(dòng)空間變化較小，對(duì)固液兩相流的運(yùn)動(dòng)速度影響不大；雙入口固液分離旋流器在入口到環(huán)形空間的階段，流體運(yùn)動(dòng)空間變化較大（從小空間到大空間），使得固液兩相流的運(yùn)動(dòng)速度衰減。因此，單入口式旋流器環(huán)形空間內(nèi)的顆粒具備較高的動(dòng)量，對(duì)壁面造成更大更多的沖擊磨損，從而導(dǎo)致單入口式旋流器入口環(huán)形空間的壁面磨損更嚴(yán)重。

2.3固液分離旋流器底流口附近的壁面磨損

工業(yè)中，固液分離旋流器最先磨穿的部位是靠近底流口處的位置。磨損嚴(yán)重的原因有4種：一是液固兩相流向底流口運(yùn)動(dòng)，大量的顆粒沉積在壁面上，在接近底流口位置，顆粒濃度達(dá)到最大值，對(duì)壁面造成的磨損也將最嚴(yán)重；二是底流口處流體的湍動(dòng)程度急劇上升，顆粒與壁面的碰撞次數(shù)逐漸增加，碰撞次數(shù)的增多使得底流口附近壁面磨損的嚴(yán)重程度增大；三是固液分離旋流器圓錐體壁面末端受到旋進(jìn)渦核不穩(wěn)定性的影響，加劇旋流器底流口附近的磨損；四是重分散相顆粒對(duì)旋流器底流口附近壁面的主要磨損是磨削磨損，半徑減小，顆粒切向速度（旋轉(zhuǎn)速度）加快，固體顆粒對(duì)旋流器壁面的作用力增大，使得運(yùn)動(dòng)中的顆粒對(duì)壁面的磨削磨損也明顯增強(qiáng)。由圖10、圖11看出，單入口和雙入口固液分離旋流器壁面最嚴(yán)重的磨損部位都是在底流口附近，底流口附近磨損分布均勻有層次，越接近底流口，壁面磨損率越高。由于單入口固液分離旋流器底流口附近的壁面受到旋進(jìn)渦核不穩(wěn)定性的影響較大，最大磨損部位一般在周向方向180°左右的底流口上方1～2mm位置；而雙入口固液分離旋流器內(nèi)部流場(chǎng)相對(duì)較穩(wěn)定，底流口附近的壁面受到旋進(jìn)渦核不穩(wěn)定性的影響較小，其最大磨損部位在底流口位置，且磨損呈軸對(duì)稱形式分布。由圖12可以看出，單入口式固液分離旋流器壁面磨損率的峰值為4.2×10-5kg/（m2·s）；雙入口式旋流器壁面磨損率的峰值為5.7×10-5kg/（m2·s）；雙入口式旋流器底流口區(qū)域的流場(chǎng)相對(duì)單入口式旋流器底流口區(qū)域的流場(chǎng)更穩(wěn)定，更多的顆粒沉積于底流口壁面運(yùn)動(dòng)，造成對(duì)底流口壁面的磨削磨損；而單入口式固液分離旋流器底流口區(qū)域的流場(chǎng)較為紊亂，少部分已經(jīng)沉積于底流口壁面的顆粒受流場(chǎng)影響，發(fā)生返混的現(xiàn)象，難于對(duì)旋流器底流口壁面造成磨削磨損，壁面磨損相應(yīng)減弱。所以雙入口固液分離旋流器壁面的磨損率略大于單入口固液分離旋流器壁面的磨損率，同時(shí)旋流器底流口壁面的磨損分布也發(fā)生了改變。

圖9　z=58mm和z=59mm位置方位角與旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損率的關(guān)系

圖10　單入口、雙入口固液分離旋流器底流口附近壁面磨損云圖

圖11　方位角與旋流器底流口附近壁面磨損率的關(guān)系

圖12　軸向位置與旋流器底流口附近壁面磨損率的關(guān)系

3　結(jié) 論

本文基于CFD軟件Fluent研究了相同條件下的單入口式和雙入口式固液分離旋流器壁面磨損情況，通過(guò)分析得到以下結(jié)論。

（1）固液分離旋流器頂板的壁面磨損隨著徑向位置的增大而增大。周向方向上，單入口式旋流器頂板的最大磨損位于方位角140°～210°；雙入口式旋流器頂板的磨損呈對(duì)稱分布，兩個(gè)入口區(qū)域的壁面磨損最嚴(yán)重，頂板外層的最大磨損位于方位角80°～110°和260°～290°。

（2）固液分離旋流器入口環(huán)形空間壁面磨損分布以局部磨損為主，雙入口式旋流器環(huán)形空間的壁面磨損呈軸對(duì)稱分布，最大磨損位于方位角120°和300°；單入口式旋流器環(huán)形空間的壁面最大磨損位于方位角120°和190°。

（3）固液分離旋流器壁面磨損最嚴(yán)重的部位在底流口附近，磨損以整體磨損為主。單入口式旋流器最大磨損在周向方向180°的底流口上方1～2mm位置；雙入口式旋流器底流口附近壁面磨損呈對(duì)稱分布，最大磨損在底流口位置。

（4）當(dāng)固液分離旋流器的入口形式發(fā)生改變時(shí)，旋流器壁面磨損和最大磨損部位在周向方向上發(fā)生很大的變化，在軸向方向上的變化較小。雙入口式旋流器頂板和環(huán)形空間的壁面磨損小于單入口式旋流器頂板和環(huán)形空間的壁面磨損；而對(duì)于底流口附近的壁面磨損，雙入口式旋流器的磨損較大一些。

影響固液分離旋流器壁面磨損的因素很多，通過(guò)數(shù)值模擬可直觀地反映出旋流器各個(gè)部分壁面磨損分布情況和變化趨勢(shì)，為固液分離旋流器的工程設(shè)計(jì)提供參考。

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Numerical simulation of the wall attrition in solid-liquid separation cyclone with different inlet forms

YUAN Huixin，Lü Lang，YIN Weiwei，WEI Lili
（School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

This paper compared the wall attrition of solid-liquid separation cyclone with the two inlet forms using particle stochastic trajectory model（DPM） of the computational fluid dynamics（CFD）software. The simulation results showed that for the solid-liquid separation cyclone with the single inlet，the most severe attrition part of the roof wall was located between the azimuth angle 140° to 210° and for the annular space wall，it was at the azimuth angle 120° and 190°；the most severe wall attrition part of the underflow port was distributed in the position of 1—2mm above the underflow port in the circumferential direction of 180°. For the solid-liquid separation cyclone with the double inlet，the attrition distribution on the wall was symmetrical；the most severe wall attrition was distributed in the underflow port；the most severe attrition of the roof wall appeared in the area of the two inlets；the azimuth angle of the most severe attrition of the roof’s outer layer ranges from 80° to 110° and 260° to 290°. As for the annular space wall，the most severe attrition was at the azimuth angle 120° and 300°. In the same conditions， the wall attrition of the separation cyclone’s roof wall and annular space with the double inlet was less severe but the wall attrition of the underflow port is more severe.

the separation cyclone；numerical simulation；separation；inlet；attrition

TQ 051.8

A

1000-6613（2015）10-3583-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.10.010

2015-04-24；修改稿日期：2015-05-25。

及聯(lián)系人：袁惠新（1957—），博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔髋c機(jī)械分離凈化技術(shù)與設(shè)備。E-mail yuanhuixin2000@126.com。